DE10146728A1

DE10146728A1 - Device for protecting against surge/excess voltage has first and second electrodes and an air breakdown spark gap between both electrodes.

Info

Publication number: DE10146728A1
Application number: DE10146728A
Authority: DE
Inventors: Rainer Durth; Martin Wetter; Joachim Wosgien
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2001-09-02
Filing date: 2001-09-23
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-24
Also published as: DE10146728B4

Abstract

An arc occurs as an air breakdown spark gap (3) ignites between a first (1) and a second (2) electrode. A series circuit for a voltage-switching element (4) and an ignition element (5) is set up between the first and the second electrodes. The voltage-switching element can be a varistor, a suppressor diode or a gas-filled excess-voltage charge eliminator, or a combination of these.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode und mit einer zwischen den beiden Elektroden existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. The invention relates to an overvoltage protection device with a first Electrode, with a second electrode and with one between the two Electrodes existing or effective air breakdown spark gap, when igniting the air breakdown spark gap between the two An arc arises.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet weiden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet. Electrical, but especially electronic measurement, control, regulation and Circuits, especially also telecommunications equipment and systems, are sensitive to transient overvoltages, as they are in particular through atmospheric discharges, but also through switching operations or Short circuits in energy supply networks can occur. This Sensitivity has increased as electronic components, especially transistors and thyristors used willow; above all are integrated circuits increasingly used by transient overvoltages at risk.

Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt. Electrical circuits operate with the voltage specified for them, the Nominal voltage, usually trouble-free. That does not apply if Surges occur. All voltages are considered as overvoltages lie above the upper tolerance limit of the nominal voltage. These include: especially the transient overvoltages caused by atmospheric discharges, but also due to switching operations or short circuits in Power supply networks can occur and galvanic, inductive or can be capacitively coupled into electrical circuits. Um now electrical or electronic circuits, in particular electronic measuring, Control, regulating and switching circuits, especially also Telecommunications equipment and systems, wherever they are used, against transients Protecting overvoltages are surge protective devices developed and known for more than twenty years.

Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung der hier in Rede stehenden Artist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind. An essential part of the surge protection device in here Artist in question at least one spark gap that at a certain overvoltage, the response voltage, responds and thus prevents that in the protected by a surge protector Circuit overvoltages occur that are greater than the response voltage of the Spark gap are.

Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Mit Luft- Durchschlag-Funkenstrecke ist ganz allgemein eine Durchschlag-Funkenstrecke gemeint; umfaßt sein soll damit also auch eine Durchschlag-Funkenstrecke, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt. It was stated at the outset that the invention Surge protection device two electrodes and one between the two electrodes has an existing or effective air breakdown spark gap. With air Breakdown spark gap is generally one Breakdown spark gap meant; it should also include one Breakdown spark gap, in which not gas but another gas between the Electrodes is present. In addition to surge protective devices with a Air breakdown spark gaps there are surge protectors with an air flashover spark gap, in which a Sliding discharge occurs.

Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht (vgl. z. B. die deutschen Offenlegungsschriften 41 41 681 oder 44 02 615). Surge protection devices with a Air breakdown spark gaps have overvoltage protection devices with a Air flashover spark gap the advantage of a higher surge current carrying capacity, but the disadvantage of a higher - and not particularly constant - Response voltage. Therefore there are already different ones Surge protection devices with an air breakdown spark gap proposed which have been improved in response voltage. There are in the area of the electrodes or between the electrodes effective air breakdown spark gap in different ways Ignition aids have been implemented, e.g. B. such that between the electrodes at least one ignition aid triggering a sliding discharge has been provided, which at least partially protrudes into the air breakdown spark gap, is web-like and made of plastic (see e.g. the German Publications 41 41 681 or 44 02 615).

Die bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt. The provided in the known surge protective devices Ignition aids previously mentioned can be considered as "passive ignition aids" are called "passive ignition aids" because they are not themselves "active" respond, but only respond by an overvoltage that is connected to the Main electrodes occurs.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen, eine Gleitentladung auslösenden Zündhilfen, als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden - dort als Hauptelektroden bezeichnet - noch zwei Zündelektroden vorgesehen sind. Diese beiden Zündelektroden bilden eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecke bzw. die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, Hauptfunkenstrecke genannt, anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrecke führt zu einer Ionisierung der in der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen Luft, so daß - schlagartig - nach Ansprechen der Zündfunkenstrecke dann auch die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, also die Hauptfunkenstrecke, anspricht. There is also one from German Offenlegungsschrift 198 03 636 Surge protection device with two electrodes, one between the two electrodes effective air breakdown spark gap and one Ignition aid known. In this known surge protection device is the Ignition aid, in contrast to the previously described, a sliding discharge triggering ignition aids, designed as an "active ignition aid", namely by that in addition to the two electrodes - called main electrodes there - two more ignition electrodes are provided. These two ignition electrodes form a second one, which serves as a spark gap Air breakdown spark gap. In this known surge protection device belongs to the Ignition aid, in addition to the spark gap, an ignition circuit with a Ignition switching. When an overvoltage is applied to the known one The ignition circuit with the ignition switching element provides overvoltage protection a response of the spark gap. The spark gap or the two ignition electrodes are of the same type with respect to the two main electrodes arranged that in that the spark gap has addressed the Air breakdown spark gap between the two main electrodes, Main spark gap called, responds. Addressing the Ignition spark gap leads to ionization of the spark gap in the air breakdown existing air, so that - suddenly - after response of the Spark gap then also the air breakdown spark gap between the two Main electrodes, i.e. the main spark gap, responds.

Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung. In the known, previously described embodiments of Surge protective devices with ignition aids lead the ignition aids to one improved, namely lower and more constant response voltage.

Bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art - mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe - entsteht beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Über diese niederimpedante Verbindung fließt zunächst - gewollt - der abzuleitende Blitzstrom. Bei anliegender Netzspannung folgt dann jedoch über diese niederimpedante Verbindung der Überspannungsschutzeinrichtung ein unerwünschter Netzfolgestrom, so daß man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern. With surge protection devices of the type in question - with or without using an ignition aid - arises when igniting the Air breakdown spark gap through the resulting arc low-impedance connection between the two electrodes. About these low-impedance connection initially flows - intentionally - the lightning current to be derived. at The applied mains voltage then follows via this low impedance Connection of the surge protective device an undesirable Mains sequence current, so that efforts are made to re-establish the arc as quickly as possible delete the completed derivation process. A way to achieve This goal is the arc length and therefore the Increase arc voltage.

Eine Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, nämlich die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern, ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie sie aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 02 615 bekannt ist, realisiert. Die aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 02 615 bekannte Überspannungsschutzeinrichtung weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkelförmig ausgebildet sind und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel aufweisen. Darüber hinaus sind die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen. Die in den Funkenhörnern der Elektroden vorgesehenen Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelements, also des Zündens, der entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung "in Fahrt gesetzt wird", also von seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der Elektroden V-förmig zueinander angeordnet sind, wird somit die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch auch die Lichtbogenspannung ansteigt. One way to extinguish the arc after the discharge process namely to increase the arc length and thus the arc voltage, is with the surge protection device, as it comes from the German Laid-open publication 44 02 615 is realized. The from the German Laid-open specification 44 02 615 known surge protection device two narrow electrodes, which are each angular and one spark horn each and one angled connecting leg exhibit. In addition, the spark horns of the electrodes are in their on the connection leg adjacent areas with a hole. The holes provided in the spark horns of the electrodes provide for the fact that at the moment of the response of the Overvoltage protection element, i.e. ignition, the resulting arc by a thermal Pressure effect "is set in motion", that is, from its point of origin wanders away. Because the spark horns of the electrodes are V-shaped to each other are arranged, the distance to be bridged by the arc when the arc migrates out, which also increases the Arc voltage increases.

Eine weitere Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden sowie die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen. Dabei ist eine starke Strömung des Löschgases notwendig, was einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert. Another way of closing the arc after the discharge process extinguish, the arc is cooled by the cooling effect of Insulating walls and the use of gas-emitting insulating materials. This requires a strong flow of the extinguishing gas, which is high constructive effort required.

Ist bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art der Lichtbogen gelöscht, so ist zwar zunächst die niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden unterbrochen, der Raum zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, ist jedoch noch fast vollständig mit Plasma gefüllt. Durch das vorhandene Plasma ist jedoch die Ansprechspannung zwischen den beiden Elektroden derart herabgesetzt, daß es bereits bei anliegender Betriebsspannung zu einem erneuten Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke kommen kann. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn die Überspannungsschutzeinrichtung ein gekapseltes oder halboffenes Gehäuse aufweist, da dann ein Abkühlen oder Verflüchtigen des Plasmas durch das im wesentlichen geschlossene Gehäuse verhindert wird. Is in the case of surge protective devices of the type in question If the arc is extinguished, the low-impedance connection is first interrupted between the two electrodes, the space between the two Electrodes, d. H. the area of the air breakdown spark gap, however, is still almost completely filled with plasma. Because of the existing plasma however, the response voltage between the two electrodes is such reduced that there is already a renewed operation voltage Ignition of the air breakdown spark gap can come. This problem occurs particularly when the surge protector enters encapsulated or semi-open housing, as then cooling or Volatilize the plasma through the essentially closed housing is prevented.

Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung, d. h. der Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden wegzutreiben oder abzukühlen. Hierzu sind konstruktiv aufwendige Labyrinthe und Kühlkörper verwendet worden, wodurch sich die Herstellung der Überspannungsschutzeinrichtung verteuert. To re-ignite the surge protection device, i. H. the air- Preventing breakdown spark gaps have so far been various Measures have been taken to remove the ionized gas cloud from the Drive away or cool the ignition electrodes. This is structurally complex Labyrinths and heat sinks have been used, making the manufacture of the Surge protection device more expensive.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 100 40 632 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der ein erneutes Ansprechen der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke nach dem Ableitvorgang wirkungsvoll verhindert wird, die gleichwohl konstruktiv einfach realisiert werden kann. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung handelt es sich um eine solche mit einer Hauptfunkenstrecke, mit einer die Hauptfunkenstrecke zündenden Nebenfunkenstrecke und mit einem die Hauptfunkenstrecke und die Nebenfunkenstrecke aufnehmenden Gehäuse, wobei die Hauptfunkenstrecke eine erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine zwischen den Hauptelektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ein Lichtbogen zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode entsteht, wobei die Nebenfunkenstrecke eine erste Nebenelektrode, eine zweite Nebenelektrode und eine zwischen den Nebenelektroden existente bzw. wirksame zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und ein Zünden der zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zu einem Zünden der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke führt und wobei die zweite Nebenelektrode über mindestens eine Impedanz, direkt oder indirekt, mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist. From German published patent application 100 40 632 is one Surge protection device known in which a renewed response of the Air breakdown spark gap is effectively prevented after the discharge process, which can nevertheless be implemented in a structurally simple manner. At this Known surge protection device is one with one Main spark gap, with one that ignites the main spark gap Secondary spark gap and with one the main spark gap and the Secondary spark gap housing, the main spark gap a first Main electrode, a second main electrode and one between the Main electrodes has existing or effective air breakdown spark gap and an arc when igniting the air breakdown spark gap arises between the first main electrode and the second main electrode, the secondary spark gap a first secondary electrode, a second Sub-electrode and an existing or effective between the sub-electrodes has second air breakdown spark gap and an ignition of the second Air breakdown spark gap to ignite the first Air breakdown spark gap leads and the second secondary electrode over at least one impedance, directly or indirectly, with the second main electrode connected is.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art in besonders einfacher Weise mit einer besonders einfach wirkenden Zündhilfe zu versehen. The invention is based on the object Surge protection device of the type described above in a particularly simple manner to provide a particularly simple-acting ignition aid.

Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements vorgesehen ist. The surge protection device according to the invention, in which the previously problem is solved is now and essentially thereby characterized in that the series connection between the two electrodes a voltage switching element and an ignition element is provided.

Damit ist eine völlig neue Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Zündhilfe bzw. eine völlig neue Zündhilfe in einer Überspannungsschutzeinrichtung realisiert, wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:
Das Spannungsschaltelement ist so gewählt bzw. dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet". Als Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Surpressordiode oder ein gasgefüllter Spannungsableiter vorgesehen sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsschaltelement eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eine Kombination eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, eine Kombination einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder Kombination eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorzusehen. Für das Zündelement gilt, daß es aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und lichtbogenbeständig sein muß; außerdem muß sichergestellt sein, daß das Zündelement nicht mit der ihm zugeordneten Elektrode, also mit der Elektrode, mit der es in elektrisch leitendem Kontakt steht, verschweißen oder verschmelzen kann. Vorzugsweise besteht das Zündelement oder/und die dem Zündelement zugeordnete Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, aus einem nicht verschweißenden metallischen Material oder/und aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff. Im übrigen ist vorzugsweise dafür gesorgt, daß zwischen dem Zündelement und der dem Zündelement zugeordneten Elektrode dauerhaft ein Übergangswiderstand gegeben ist. A completely new surge protection device with an ignition aid or a completely new ignition aid in an overvoltage protection device is thus implemented, as can be seen from the following functional description:
The voltage switching element is selected or dimensioned such that it becomes conductive at the response voltage of the overvoltage protection device, that is to say "switches". A varistor, a surpressor diode or a gas-filled voltage arrester can be provided as the voltage switching element. However, there is also the possibility of providing a combination of a varistor and a surge suppressor, a combination of a varistor and a gas-filled surge arrester, a combination of a surpressor diode and a gas-filled surge arrester or a combination of a varistor, a surpressor diode and a gas-filled surge arrester as the voltage switching element. It applies to the ignition element that it consists of an electrically conductive material and must be resistant to arcing; it must also be ensured that the ignition element cannot weld or fuse with the electrode assigned to it, that is to say with the electrode with which it is in electrically conductive contact. The ignition element and / or the electrode assigned to the ignition element preferably consists of an electrically conductive ceramic material, a non-welding metallic material and / or an electrically conductive plastic. In addition, it is preferably ensured that there is a permanent contact resistance between the ignition element and the electrode assigned to the ignition element.

Tritt an der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, die gleich oder größer als die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erste Elektrode - Spannungsschaltelement - Zündelement - zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt; Überspannungen mit geringem Energiegehalt werden also über die zuvor beschriebene Reihenschaltung abgeleitet. Wenn der Energiegehalt der an der Überspannungsschutzeinrichtung anstehenden Überspannung größer ist, fließt ein entsprechend größerer Strom. Dieser Strom führt an der Kontaktstelle zwischen dem Zündelement und der zugeordneten Elektrode wegen des hohen Übergangswiderstandes an der Kontaktstelle zu Entladungen, die zu einer Vorionisierung des Kontaktbereiches führen, so daß sich ein Lichtbogen ausbildet, der die Kontaktstelle überbrückt. Wegen des nicht unerheblichen Widerstands des Zündelements wandert der Lichtbogen am Zündelement, um dessen Widerstand zu überbrücken. Dieser Mechanismus führt dann dazu, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden zündet, also zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Occurs on the surge protection device according to the invention Overvoltage on that is equal to or greater than that by that Voltage switching element is the predetermined response voltage, that speaks Voltage switching element on, so that the first electrode via the series circuit - Voltage switching element - ignition element - second electrode a leakage current begins to flow; Surges with low energy content are so over the previous ones described series connection derived. If the energy content of the at Overvoltage protection device pending overvoltage is greater a correspondingly larger current. This current leads at the contact point between the ignition element and the associated electrode because of the high Contact resistance at the contact point to discharges that lead to a Preionize the contact area so that there is an arc trains that bridges the contact point. Because of the not inconsiderable Resistance of the ignition element, the arc migrates to the ignition element to bridge its resistance. This mechanism then leads to the fact that the air breakdown spark gap ignites between the two electrodes, an arc arises between the two electrodes.

Erfindungsgemäß ist also eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Zündhilfe entstanden, bei der auf einfache Weise die Ansprechspannung in weiten Grenzen mit geringen Toleranzen eingestellt werden kann, nämlich durch die Auswahl bzw. Dimensionierung des Spannungsschaltelements. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die Zündhilfe bei der erfindungsgemäßen Überspannungseinrichtung unempfindlich ist gegen mechanische und thermische Beanspruchungen und direkt im Inneren der durch die beiden Elektroden gebildeten Funkenstrecke eingesetzt werden kann. Von Bedeutung ist ferner, daß bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung eine "passive Zündhilfe" realisiert worden ist, es also eines zusätzlichen Zündkreises - mit einer Zündimpulserzeugung - nicht bedarf. According to the invention, an overvoltage protection device with a Ignition aid arose in which the response voltage in wide limits can be set with small tolerances, namely through the selection or dimensioning of the voltage switching element. It is particularly important that the ignition aid in the Surge device according to the invention is insensitive to mechanical and thermal stresses and right inside by the two Electrodes formed spark gap can be used. Significant is also that in the overvoltage protection device according to the invention a "passive ignition aid" has been implemented, so it is an additional one Ignition circuit - with an ignition pulse generation - not required.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen In detail, there are now a multitude of possibilities To design and develop surge protection device according to the invention. For this purpose, reference is made on the one hand to those subordinate to claim 1 Claims, on the other hand on the following description more preferred Exemplary embodiments in connection with the drawing. In the drawing demonstrate

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung und Fig. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of an overvoltage protection device according to the invention and

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung. Fig. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of an overvoltage protection device according to the invention.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung nur hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus dargestellt. Zu den dargestellten Überspannungsschutzeinrichtungen gehören jeweils eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und eine zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3. Für die erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtungen gilt, wie für die Überspannungsschutzeinrichtungen, von denen die Erfindung ausgeht, daß beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein - nicht dargestellter - Lichtbogen entsteht. In Figs. 1 and 2, an overvoltage protection device according to the invention is shown only in respect of their basic construction in each case. The illustrated surge protection devices each include a first electrode 1 , a second electrode 2 and an air breakdown spark gap 3 that exists or is effective between the two electrodes 1 and 2 . For the overvoltage protection devices according to the invention, as for the overvoltage protection devices from which the invention is based, an arc (not shown) arises between the two electrodes 1 and 2 when the air breakdown spark gap 3 is ignited.

Erfindungsgemäß ist an die beiden Elektroden 1 und 2 die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements 4 und eines Zündelements 5 angeschlossen. According to the invention, the series connection of a voltage switching element 4 and an ignition element 5 is connected to the two electrodes 1 and 2 .

In den Fig. 1 und 2 ist das Spannungsschaltelement 4 nur schematisch dargestellt. Als Spannungsschaltelement 4, mit dem die Ansprechspannung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung vorgegeben wird, kann ein Varistor, eine Surpressordiode oder gasgefüllter Überspannungsableiter vorgesehen sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsschaltelement 4 eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eine Kombination eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, eine Kombination einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder eine Kombination eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorzusehen. In Figs. 1 and 2, the voltage switching element 4 is shown only schematically. A varistor, a surpressor diode or gas-filled surge arrester can be provided as the voltage switching element 4 , with which the response voltage of the overvoltage protection device according to the invention is specified. However, it is also to provide the possibility of as a voltage switching element 4, a combination of a varistor and a suppressor diode, a combination of a varistor and a gas-filled surge arrester, a combination of a suppressor diode and a gas-filled surge arrester or a combination of a varistor, a suppressor diode and a gas-filled surge arrester.

Wie das Spannungsschaltelement 4, so ist in den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Überspannungsschutzeinrichtungen auch das Zündelement 5 nur schematisch dargestellt. Das Zündelement 5 besteht aus einem Material, das elektrisch leitfähig und lichtbogenbeständig ist. Darüber hinaus muß sichergestellt sein, daß das Zündelement 5 an der Kontaktstelle 6 zur Elektrode 2 mit der Elektrode 2 nicht verschweißen kann. Vorzugsweise besteht das Zündelement 5 oder/und die dem Zündelement 5 zugeordnete Elektrode 2 aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, aus einem nicht verschweißenden metallischen Material oder/und aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff Im übrigen ist zwischen dem Zündelement 5 und der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 dauerhaft ein Übergangswiderstand gegeben; die Kontaktstelle 6 hat also dauerhaft einen Übergangswiderstand. Dieser Übergangswiderstand kann durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leitfähigkeit der Materialien des Zündelements 5 oder/und der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 realisiert sein, vorzugsweise durch eine geeignete Wahl des Materials des Zündelements 5. Der an der Kontaktstelle 6 dauerhaft gegebene Übergangswiderstand kann statt durch eine geeignete Wahl der elektrischen Leitfähigkeiten der Materialien des Zündelements 5 oder/und der Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2 oder zusätzlich durch eine geeignete geometrische Ausbildung des Zündelements 5 an der Kontaktstelle 6 zur zugeordneten Elektrode 2 oder/und durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Elektrode 2 an der Kontaktstelle 6 zum Zündelement 5 realisiert sein, vorzugsweise durch eine geringe Kontaktfläche. Like the voltage switching element 4 , the ignition element 5 is only shown schematically in the exemplary embodiments of overvoltage protection devices according to the invention shown in FIGS. 1 and 2. The ignition element 5 consists of a material that is electrically conductive and arc-resistant. In addition, it must be ensured that the ignition element 5 cannot weld to the electrode 2 at the contact point 6 with the electrode 2 . The ignition element 5 and / or the electrode 2 assigned to the ignition element 5 preferably consists of an electrically conductive ceramic material, a non-welding metallic material or / and an electrically conductive plastic. Otherwise there is between the ignition element 5 and the electrode assigned to the ignition element 5 2 permanent contact resistance; the contact point 6 thus has a permanent contact resistance. This contact resistance can be realized by a suitable choice of the electrical conductivity of the materials of the ignition element 5 and / or the electrode 2 assigned to the ignition element 5 , preferably by a suitable choice of the material of the ignition element 5 . The contact resistance permanently given at the contact point 6 can instead of by a suitable choice of the electrical conductivities of the materials of the ignition element 5 or / and the ignition element 5 associated with the electrode 2 or additionally by a suitable geometric design of the ignition element 5 at the contact point 6 to the associated electrode 2 or / and be realized by a suitable geometric design of the electrode 2 at the contact point 6 to the ignition element 5 , preferably by a small contact area.

Die Kontaktstelle 6 zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 hat besonders dann eine geringe Kontaktfläche, wenn das Zündelement 5 an seinem der Elektrode 2 zugeordneten Ende schneidenförmig oder punktförmig und die Elektrode 2 an ihrer dem Zündelement 5 zugewandten Seite konvex ausgebildet ist. Bei der geometrischen Realisierung der Kontaktstelle 6 zwischen dem Zündelement 5 und der Elektrode 2 ist jedoch darauf zu achten, daß der sich an die Kontaktstelle 6 anschließende Luftspalt zwischen dem Zündelement 5 und der Elektrode 2 erfindungsgemäß in elektrischer Hinsicht zwei Kriterien genügen muß. Einerseits muß der Luftspalt so groß sein, daß bei einer Überspannung mit geringem Energiegehalt der Ableitstrom nur über die Kontaktstelle 6 fließt, also der die Kontaktstelle 6 umgebende Kontaktbereich noch keine Vorionisierung erfährt. Andererseits muß der Luftspalt so klein sein, daß dann, wenn der Energiegehalt der Überspannung größer ist, der fließende Strom zu einer Vorionisierung des die Kontaktstelle 6 umgebenden Kontaktbereiches führt. Eine Lösung, die beiden Kriterien gerecht wird, ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen realisiert. Dabei ist das der Elektrode 2 zugewandte Ende des Zündelements 5 kegelförmig-konvex und die dem Zündelement 5 zugewandte Seite der Elektrode 2 kegelförmig-konkav ausgeführt. The contact point 6 between the ignition element 5 and the associated electrode 2 has a small contact area, especially when the ignition element 5 facing side is convex 5 associated at its the electrode 2 end cut-shaped or dot-shaped and the electrode 2 on its side facing the ignition element. When geometrically realizing the contact point 6 between the ignition element 5 and the electrode 2 , however, care must be taken that the air gap adjoining the contact point 6 between the ignition element 5 and the electrode 2 according to the invention must meet two criteria in electrical terms. On the one hand, the air gap must be so large that, in the event of an overvoltage with a low energy content, the leakage current flows only via the contact point 6 , that is to say the contact area surrounding the contact point 6 does not yet undergo preionization. On the other hand, the air gap must be so small that when the energy content of the overvoltage is greater, the flowing current leads to a pre-ionization of the contact area surrounding the contact point 6 . A solution that meets both criteria is implemented in the exemplary embodiments shown. Here, the electrode 2 facing the end of the ignition element 5-conical convex and the ignition element 5 facing side of electrode 2 executed conical-concave.

Die Fig. 1 und 2 zeigen insoweit bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Überspannungsschutzeinrichtungen, als der Kontaktdruck zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 einstellbar ist. In den Ausführungsbeispielen ist das durch eine auf das Zündelement 5 einwirkende Druckfeder 7 realisiert; mit Druckfedern 7 unterschiedlicher Federarten können unterschiedliche Kontaktdrücke realisiert werden. Es besteht aber auch die in den Figuren nicht dargestellte Möglichkeit, den Kontaktdruck zwischen dem Zündelement 5 und der zugeordneten Elektrode 2 durch ein mechanisch reversibel deformierbares Material des Zündelements 5 oder/und mindestens einer Elektrode, vorzugsweise der dem Zündelement 5 zugeordneten Elektrode 2, einstellbar zu machen. FIGS. 1 and 2 in so far, preferred embodiments of the invention overvoltage protection means, when the contact pressure between the ignition element 5 and the associated electrode 2 is adjustable. In the exemplary embodiments, this is realized by a compression spring 7 acting on the ignition element 5 ; different contact pressures can be realized with compression springs 7 of different types of springs. However, there is also the possibility, not shown in the figures, of adjusting the contact pressure between the ignition element 5 and the associated electrode 2 by a mechanically reversibly deformable material of the ignition element 5 and / or at least one electrode, preferably the electrode 2 assigned to the ignition element 5 do.

Weiter oben ist ausgeführt, daß bei den erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtungen zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements 4 und eines Zündelements 5 vorgesehen ist. Das ist elektrisch, nicht unbedingt mechanisch bzw. räumlich bzw. geometrisch gemeint. It is stated further above that in the overvoltage protection devices according to the invention, the series connection of a voltage switching element 4 and an ignition element 5 is provided between the two electrodes 1 and 2 . This is electrical, not necessarily mechanical, spatial or geometric.

In dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, sind sowohl das Spannungsschaltelement 4 als auch das Zündelement 5 räumlich zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehen. Demgegenüber zeigt die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Spannungsschaltelement 4 räumlich außerhalb des Bereiches zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das räumlich außerhalb des Bereiches zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorgesehene Spannungsschaltelement 4 einerseits über ein äußeres Verbindungselement 8 mit der Elektrode 1 und andererseits über einen Verbindungsstift 9 mit der - elektrisch leitenden - Druckfeder 7 und damit mit dem Zündelement 5 verbunden. In the exemplary embodiment of an overvoltage protection device according to the invention, which is shown schematically in FIG. 1, both the voltage switching element 4 and the ignition element 5 are provided spatially between the two electrodes 1 and 2 . In contrast, FIG. 2 shows an embodiment in which the voltage switching element 4 is provided spatially outside the area between the two electrodes 1 and 2 . In this exemplary embodiment, the voltage switching element 4 which is provided spatially outside the region between the two electrodes 1 and 2 is connected on the one hand to the electrode 1 via an outer connecting element 8 and on the other hand to the - electrically conductive - compression spring 7 and thus to the ignition element 5 via a connecting pin 9 ,

Claims

1. Overvoltage protection device, with a first electrode, with a second electrode and with an existing or effective air breakdown spark gap between the two electrodes, an arc being formed when the air breakdown spark gap is ignited between the two electrodes, characterized in that the series connection of a voltage switching element ( 4 ) and an ignition element ( 5 ) is connected to the two electrodes ( 1 , 2 ).

2. Overvoltage protection device according to claim 1, characterized in that as a voltage switching element ( 4 ) a varistor, a surpressor diode or a gas-filled surge arrester or a combination of a varistor and a surpressor diode, a varistor and a gas-filled surge arrester, a surpressor diode and a gas-filled surge arrester or a varistor , a surpressor diode and a gas-filled surge arrester is provided.

3. Overvoltage protection device according to claim 1 or 2, characterized in that the ignition element ( 5 ) and / or the ignition element ( 5 ) associated electrode ( 2 ) made of an electrically conductive ceramic material, a non-welding metallic material and / or from one there is electrically conductive plastic.

4. Overvoltage protection device according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the ignition element ( 5 ) and the ignition element ( 5 ) associated electrode ( 2 ) there is a permanent contact resistance.

5. Overvoltage protection device according to claim 4, characterized in that the high contact resistance between the ignition element ( 5 ) and the ignition element ( 5 ) associated electrode ( 2 ) by a suitable choice of the electrical conductivities of the materials of the ignition element ( 5 ) and / or the electrode ( 2 ) associated with the ignition element ( 5 ), preferably by means of a suitable choice of the material of the ignition element ( 5 ).

6. Overvoltage protection device according to claim 4 or 5, characterized in that the high contact resistance between the ignition element ( 5 ) and the ignition element ( 5 ) associated electrode ( 2 ) by a suitable geometric design of the ignition element ( 5 ) at the contact point ( 6 ) to the associated electrode ( 2 ) and / or by a suitable geometric design of the electrode ( 2 ) at the contact point ( 6 ) to the ignition element ( 5 ), preferably by a small contact area.

7. Overvoltage protection device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the contact pressure between the ignition element ( 5 ) and the associated electrode ( 2 ) is adjustable, for. B. by a pressure spring ( 7 ) acting on the ignition element ( 5 ) and / or by a mechanically reversibly deformable material of the ignition element ( 5 ) and / and at least one electrode, preferably the electrode ( 2 ) associated with the ignition element ( 5 ).

8. Overvoltage protection device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage switching element ( 4 ) and the ignition element ( 5 ) are provided spatially between the two electrodes ( 1 , 2 ).

9. Overvoltage protection device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the voltage switching element ( 4 ) is provided spatially outside the area between the two electrodes ( 1 , 2 ).